Схема демпфирования на основе IGBT для модуляторов эксимерных лазеров

Схема демпфирования на основе IGBT для модуляторов эксимерных лазеров

Резюме

Твердотельные модуляторы преобразуют десятки килоампер в несколько сотен наногенри. Каждое выключение добавляет импульс к шине, а неправильно подобранный демпфирующий контур либо приводит к лавинному пробою IGBT, либо к его перегреву. В этой статье приводятся арифметические вычисления перерегулирования, правила расчета размеров УЗО, четыре режима отказа в полевых условиях и параметры компонентов, которые позволяют поддерживать коэффициент подавления на уровне около 8% при частоте повторения импульсов 6 кГц.

1. Введение

В источниках питания эксимерных лазеров используются IGBT-транзисторы для сброса накопленного заряда в разрядную камеру. Переключатель пропускает весь ток зарядного блока и должен выключиться за несколько сотен наносекунд, чтобы сформировать выходной импульс.

Проблемы начинаются именно на этом этапе выключения. Шины, конденсатор ESL и проводка накапливают магнитную энергию. Выключатель прерывает ток до того, как эта энергия сможет покинуть контур, поэтому контур генерирует собственное напряжение.

Если оставить всё как есть, скачок напряжения достигает 1 кВ на шине 25 кВ. После тысяч импульсов дополнительная нагрузка приводит к лавинному пробою IGBT, и обычно причиной отказа становится поставщик устройства.

В данной статье рассматривается механизм перерегулирования, топология демпфирующего УЗО и уравнения для расчета его размеров, четыре режима отказов, наблюдаемых в полевых условиях, а также параметры конденсатора и резистора, обеспечивающие поддержание уровня заряда около 8%.

2. Основной механизм

2.1 Перерегулирование на индуктивности контура

Когда IGBT выключается, ток в паразитной индуктивности не может мгновенно прекратиться. В индуктивности возникает напряжение:

V_L = L_par × di/dt

где V_L — перерегулирование, добавляемое к шине, L_par — индуктивность контура, а di/dt — скорость спада тока.

При L_par = 100 нГн и di/dt = 10 кА/мкс перерегулирование достигает 1 кВ. Это напряжение находится на шине 25 кВ, поэтому корпус переключателя подвергается воздействию напряжения от 26 до 27 кВ. Устройство, рассчитанное на 30 кВ, обеспечивает запас прочности, а устройство, рассчитанное на 25 кВ, — нет.

2.2 Частота колебаний и диапазон напряжений

Перерегулирование не ограничивается одним пиком. Индуктивность контура и выходная емкость IGBT образуют резонансный контур:

f_ring = 1 / (2π √(L_par × C_oss))

где f_ring — частота колебаний, L_par — индуктивность контура, а C_oss — выходная емкость IGBT.

При L_par = 100 нГн и C_oss = 1 нФ, f_ring = 5 МГц, форма сигнала колеблется в течение нескольких циклов. Каждый цикл повторяет воздействие напряжения на кристалл и на каждую часть контура.

2.3 Выбор размера конденсатора для зажима

Демпфирующий конденсатор поглощает энергию контура и поддерживает напряжение на уровне ограничения. Минимальное значение определяется из баланса энергии:

C_snub ≥ L_par × I_peak² / (V_clamp² − V_bus²)

где C_snub — емкость демпфирующего контура, L_par — индуктивность контура, I_peak — коммутируемый ток, V_clamp — допустимое пиковое напряжение, а V_bus — напряжение шины.

При L_par = 100 нГн, I_peak = 10 кА, V_bus = 25 кВ и V_clamp = 27 кВ соотношение дает 96 нФ. Следовательно, для 8%-ного ограничителя требуется около 96 нФ, а стандартная деталь на 100 нФ покрывает эту потребность с запасом.

2.4 Разрядное сопротивление, потери и температура

Резистор должен разряжать конденсатор между импульсами. При частоте повторения импульсов 6 кГц интервал составляет 167 мкс:

R_snub ≤ T_interpulse / (5 × C_snub)

где R_snub — сопротивление разряда, T_interpulse — время между импульсами, а C_snub — емкость демпфирующей цепи. При T_interpulse = 167 мкс и C_snub = 96 нФ сопротивление R_snub составляет 334 Ом.

Каждый цикл выключения передает энергию контура в демпфирующий контур:

E_snub = 0.5 × L_par × I_peak²

где E_snub — энергия на одно событие, L_par — индуктивность контура, а I_peak — коммутируемый ток. В результате получаем 5 мДж на импульс.

Средняя мощность зависит от частоты повторения:

P_snub = E_snub × PRF

где P_snub — среднее рассеивание энергии, E_snub — энергия на одно событие, а PRF — частота повторения импульсов. При частоте 6 кГц резистор должен отводить 30 Вт.

Повышение температуры затем следует по тепловому пути:

ΔT = P_snub × R_th

где ΔT — повышение температуры, P_snub — средняя тепловая мощность, а R_th — тепловое сопротивление окружающей среде. Толстопленочный элемент с R_th = 4 °C/Вт нагревается на 120 °C при мощности 30 Вт, поэтому номинальная мощность и теплоотвод определяются этим значением.

Рис. 1 — Петля индуктивности 100 нГн, прерываемая при 10 кА/мкс, добавляет 1 кВ к шине 25 кВ; ограничительный конденсатор 96 нФ и резистор 334 Ом удерживают перерегулирование на уровне около 8%.

3. Проблемы проектирования

Проблема 1: Небольшой демпфирующий конденсатор позволяет IGBT-транзистору пробивать цепь лавинным разрядом.

Конденсатор емкостью 33 нФ в модуляторе на 25 кВ зарядился до уровня ограничения примерно за 1 мкс. Энергия из контура продолжала поступать, поэтому напряжение продолжало расти до 29 кВ, или на 16% выше напряжения на шине.

После 30 000 импульсов IGBT вышел из строя из-за короткого замыкания. В сервисном отчете причиной было названо низкое качество устройства. Измеренное перерегулирование на замененном устройстве показало истинную причину.

Проблема 2: Большой демпфирующий конденсатор переносит потери в IGBT-транзистор.

Конденсатор емкостью 470 нФ обеспечивал четкое ограничение напряжения, но при этом увеличивал время нарастания коллекторного напряжения. Потери при переключении возрастали с увеличением времени нарастания, и при частоте повторения импульсов 6 кГц увеличение времени нарастания на 50% добавляло к этим потерям еще 50%.

Радиатор вышел из строя за одну смену. Оператор дважды заменял радиатор, прежде чем возникли сомнения в правильности значения демпфирующего клапана.

Проблема №3: ​​Резистор с высокой индуктивностью удерживает остаточный заряд.

Резистор с проволочной обмоткой и индуктивностью 65 нГн не смог разрядить конденсатор в течение 167 мкс. Остаточный заряд повышал начальное напряжение следующего события, поэтому ограничитель срабатывал позже, и перерегулирование увеличивалось.

Схема выглядела корректной на частоте 1 кГц. На частоте 6 кГц тот же резистор оставлял 12% заряда, и уровень ограничения сигнала повышался от импульса к импульсу.

Проблема 4: Медленный демпфирующий диод вводит восстановительный заряд.

Диод с временем релаксации trr = 120 нс продолжал проводить ток после пика напряжения и сбрасывал накопленный заряд в цепь. Этот заряд добавлялся к пику напряжения, а не подавлял его.

Измеренное перерегулирование с медленным диодом было на 2 кВ выше, чем с элементом с временем восстановления 30 нс в том же приспособлении. Время восстановления должно оставаться в пределах 35 нс.

Проблема № 5: Индуктивность проводки в демпфирующей петле.

Демпфирующая цепь, установленная на расстоянии 120 мм от IGBT, добавляла 80 нГн собственной индуктивности контура. В результате ограничитель воздействовал на контур, размеры которого разработчик не учитывал, и эффективное напряжение ограничения превысило расчетное значение.

На схеме это ничем не было показано. Это подтвердилось только измерением импеданса собранного модуля.

4. Этапы проектирования

Стратегия 1: Подберите конденсатор с допуском от 8% до 10%.

Расчеты производятся исходя из соотношения C_snub ≥ L_par × I_peak² / (V_clamp² − V_bus²). Для V_bus = 25 кВ целевое значение V_clamp составляет от 27 кВ до 27.5 кВ. Для ограничения напряжения на 27 кВ требуется 96 нФ, а для ограничения на 27.5 кВ — 79 нФ.

Выберите деталь с допуском ±10%, чтобы уровень зажима оставался в пределах допустимых отклонений в обоих диапазонах, и сравните полученное значение с максимальной индуктивностью контура, которую может обеспечить данная сборка.

Стратегия 2: Выберите конденсатор с низким ESR и низким ESL.

Используйте N4700 Компоненты с эквивалентным последовательным сопротивлением (ESR) ниже 10 мОм и эквивалентной последовательной индуктивностью (ESL) ниже 30 нГн. Высокое значение ESR предотвращает попадание конденсатора в тепловой поток, поэтому резистор R_snub пропускает 30 Вт, а конструкция радиатора остается предсказуемой.

Для винтового крепления используйте HVCT8G корпуса. Их коаксиальная электродная структура обеспечивает индуктивность петли менее 8 нГн при расстоянии между клеммами 40 мм, что соответствует расчету на 96 нФ.

Стратегия 3: Выберите разрядное сопротивление для ESL ниже 10 нГн.

Указывать HVRGXP Для толстопленочных компонентов с эквивалентной последовательной индуктивностью (ESL) ниже 10 нГн разряд завершается в интервале 167 мкс при частоте 6 кГц. Мощность должна быть на 50% выше расчетной 30 Вт, чтобы компенсировать тепловые переходные процессы во время импульсной работы.

Установите резистор непосредственно на клеммы конденсатора и используйте короткие широкие дорожки. Каждый дополнительный миллиметр провода увеличивает индуктивность пути разряда, который, согласно расчетам, считался чистым.

Стратегия 4: Выберите диод с временем релаксации TRR менее 35 нс, затем измерьте его.

Выберите быстровосстанавливающийся диод с временем релаксации 25–35 нс и низким восстановленным зарядом Qrr. Установите номинальное обратное напряжение на 20% выше V_clamp, так что для зажима на 27 кВ потребуется часть на 33 кВ.

Проверьте восстановление на прототипе, работающем при полном напряжении. Восстановление диода изменяется в зависимости от наклона кривой тока и температуры, а кривая, указанная в техническом описании, редко совпадает с фронтом модулятора 10 кА/мкс.

Стратегия 5: Уменьшить размер демпфирующей петли и следить за зажимом.

Установите конденсатор C_snub, резистор R_snub и диод как можно ближе к выводам IGBT, насколько это позволяет корпус, и измерьте сопротивление собранной петли с помощью анализатора импеданса. Удерживайте его ниже 50 нГн.

Регистрируйте перерегулирование и температуру резистора на каждом импульсе. Отклонение любого из этих значений на 10% от базового значения при вводе в эксплуатацию является сигналом к ​​сервисному обслуживанию, и это происходит задолго до отказа IGBT.

Параметр компонента	Типичное значение	Условие теста
Номинальное напряжение (серия HVCT8G)	10 кВ постоянного тока	высоковольтный режим 1.5× в течение 60 с
емкость	4700 пФ ±20% (472М)	1 МГц, 1 В среднеквадратичное значение
ЭПР на частоте 1 МГц	ниже 50 мОм	-
Индуктивность петли (хорда E40)	ниже 8 нГн	Расстояние между клеммами: 40 мм
сопротивление изоляции	сопротивление выше 10 ГОм при напряжении 500 В постоянного тока	25 ° C, 60% относительной влажности
Диапазон температур	от −40 °C до +125 °C	Серия МЭК 60068-2
Возможность импульсного DV/DT	выше 50 кВ/мкс	при номинальном напряжении

5. Демпфирующие конденсаторы HVC N4700 для твердотельных модуляторов

Выбор этого узла определяется тремя требованиями: низкой собственной индуктивностью, низкими потерями на частоте 6 кГц и диэлектриком, сохраняющим свои значения на протяжении 10^9 импульсов. Компания HVC производит компоненты N4700 для этого комплекта на собственном заводе площадью 6,000 м² в Дунгуане, в диапазоне напряжений от 1 кВ до 150 кВ.

Шесть параметров, которые здесь имеют значение.

• Значение ESL ниже 30 нГн обеспечивает короткое замыкание демпфирующей петли. Конденсатор заряжается и разряжается в наносекундном масштабе, поэтому ограничитель срабатывает в течение 1 мкс подъема болевой точки 1.
• Значение ESR ниже 10 мОм на частоте 1 МГц предотвращает попадание конденсатора в зону тепловыделения. Потери в демпфирующем контуре в 30 Вт остаются в резисторе R_snub, где разработчик может рассчитать размеры радиатора.
• Значение tanδ ниже 0.1% сводит самонагрев к незначительной доле в общем объеме, поэтому уровень ограничения не изменяется с температурой в течение смены.
• Частичный разряд ниже 5 пКл при номинальном напряжении. Керамика с экранированием от частичного разряда устраняет внутренние микродуги, которые приводят к износу демпфирующего конденсатора после 10^8 импульсов.
• Диапазон напряжения от 1 кВ до 150 кВ, с радиальными выводами, винтовыми клеммами и клеммами типа «дверная ручка», так что одна диэлектрическая система обслуживает демпфирующий контур на 96 нФ, демпфирование на стороне затвора на 10 кВ и узлы развязки шин.
• Сертифицированы как взаимозаменяемые компоненты для ведущих брендов в сфере обслуживания эксимерных лазеров и рекомендуются производителями лазерного оборудования для новых платформ. Компоненты HVC соответствуют электрическим параметрам и габаритам корпусов. Murata винтовые высоковольтные конденсаторы.

В тех случаях, когда контуру необходим контролируемый путь разряда, пленочный конденсатор Параллельно с керамикой поглощается низкочастотная составляющая, а наносекундный фронт остается за керамикой.

Доставка и поддержка

Стандартные компоненты отгружаются в течение 4–8 недель, а подобранные комплекты демпфирующих элементов — в течение 6–10 недель. Инженеры-технологи HVC оказывают поддержку в расчете размеров демпфирующих элементов, вычислении потерь, анализе индуктивности контура и тепловом моделировании модуляторов на основе IGBT.

Отправьте данные о напряжении шины, пиковом токе, индуктивности контура и частоте повторения импульсов. HVC в течение пяти рабочих дней предоставит вам лист подбора конденсаторов и резисторов с указанием номеров деталей, распределения ESL и ESR, а также комплект для оценки двух образцов.

6. Часто задаваемые вопросы

В1: Как рассчитать значение демпфирующего конденсатора?

Используйте C_snub ≥ L_par × I_peak² / (V_clamp² − V_bus²). При L_par = 100 нГн, I_peak = 10 кА, V_bus = 25 кВ и V_clamp = 27 кВ результат составляет 96 нФ. Стандартная деталь на 100 нФ покрывает это значение с запасом, при условии, что собранная петля остается на уровне 100 нГн или ниже.

В2: Почему бы не использовать гораздо больший демпфирующий конденсатор?

Поскольку конденсатор также замедляет нарастание напряжения на коллекторе, потери при переключении растут с увеличением времени нарастания. При частоте повторения импульсов 6 кГц увеличение времени нарастания на 50% приводит к увеличению потерь на 50%, что представляет собой тепловую перегрузку, которую IGBT может не выдержать. Значение конденсатора — это компромисс между ограничением и потерями, а не максимальное значение.

В3: Как правильно подобрать размер демпфирующего резистора?

Исходя из соотношения R_snub ≤ T_interpulse / (5 × C_snub), при частоте повторения импульсов 6 кГц интервал составляет 167 мкс, поэтому для конденсатора емкостью 96 нФ требуется сопротивление 334 Ом или меньше. Рассчитывайте мощность компонента на среднее рассеивание 30 Вт с запасом 50% и поддерживайте эквивалентную последовательную индуктивность (ESL) ниже 10 нГн, чтобы разряд фактически завершался вовремя.

Вопрос 4: Какие параметры диода имеют значение?

Время обратного восстановления и восстановленный заряд. Часть с временем обратного восстановления trr выше 100 нс продолжает проводить ток после пика и вводит накопленный заряд в пик, что увеличивает перерегулирование вместо его уменьшения. Задайте значение trr в диапазоне от 25 до 35 нс и установите обратное напряжение на 20% выше V_clamp.

В5: Почему уровень напряжения повышается с увеличением частоты импульсов?

Потому что разрядному резистору не хватает времени. При индуктивности 65 нГн в резисторе 12% заряда конденсатора оставалось неизменным, когда приходил следующий импульс с частотой 6 кГц, поэтому каждое событие начиналось с более высокого напряжения. Низкоиндуктивные толстопленочные компоненты исключают этот вид отказа.

Вопрос 6: Какую индуктивность контура может выдержать демпфирующая цепь?

Не допускайте, чтобы индуктивность контура крепления была ниже 50 нГн, а эквивалентная последовательная индуктивность конденсатора — ниже 30 нГн. Демпфирующая нить, установленная на расстоянии 120 мм, сама по себе добавила 80 нГн, что привело к превышению расчетного уровня индуктивности ограничителя. Измерьте сопротивление собранного модуля с помощью анализатора импеданса и рассматривайте значение, указанное на схеме, только как отправную точку.

7. Рекомендации

1. Э. Куффель, В.С. Заенгль, Дж. Куффель, Основы высоковольтной техники, 2-е изд., Ньюнес, 2000.
2. Н. Мохан, Т.М. Унделанд, У.П. Роббинс, Силовая электроника: преобразователи, применение и дизайн, 3-е изд., Wiley, 2003.
3. Уведомление 2 MIL-HDBK-217F. Прогнозирование надежности электронного оборудования, 1995.
4. МЭК 60384-1:2021, Фиксированные конденсаторы для использования в электронном оборудовании — Часть 1: Общие технические характеристики, 6-е изд. Женева: МЭК, 2021.
5. МЭК 61071:2017, Конденсаторы для силовой электроники, 2-е изд. Женева: МЭК, 2017.
6. Х. Ван и Ф. Блаабьерг, Надежность конденсаторов в силовых электронных преобразователях, использующих звенья постоянного тока: обзор.IEEE Transactions on Industry Applications, том 50, № 5, стр. 3569-3578, 2014. https://doi.org/10.1109/tia.2014.2308357.
7. Демпфирующие конденсаторы (пленочные конденсаторы) для IGBT-транзисторов MKRSExxelia, https://exxelia.com/en/product/detail/771/mkrs .
8. AN2001_06 — Последовательное соединение IGBT-транзисторов, Infineon Technologies, AN2001_06, http://www.infineon.com/dgdl/Infineon-AN2001_06_Series_connection_of_IGBTs-AN-v1.0-en.pdf?fileId=db3a304412b407950112b40f000d12f7 .
9. Запрос рекомендаций по схеме демпфирования для защиты Infineon FF300R17KE4PСообщество разработчиков Infineon, https://community.infineon.com/t5/IGBT/Request-for-Snubber-Circuit-Recommendation-for-Protecting-Infineon-FF300R17KE4P/td-p/1241451 .
10. JP 3979823 B2, 巻線装置及びそれを用いた高電圧パルス発生装置 (Намоточное оборудование и генератор высоковольтных импульсов, использующий его), Gigaphoton Inc., https://www.sumobrain.com/patents/JP3979823B2.html .
11. Команда инженеров по разработке приложений HVC, Керамический конденсатор высокого напряжения Тeхничeскиe рeсурсыhttps://www.hv-caps.com